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인간이 이용하는 에너지의 대부분은 근본적으로 태양에너지이다. 매년 5백조 배럴의 석유에 상당하는 에너지로 지구를 덥히는 태양에너지.그 활용 방법을 알아본다.

지구상의 최대 에너지원

1970년대 에너지 위기를 겪으면서 많은 사람들은 태양도 중요한 에너지원 또는 적어도 보충 에너지원이 될 수 있다고 생각하기 시작 하였다. 태양 에너지는 여러가지 방법으로 채취·이용할 수 있다.

태양으로부터 얻어지는 복사 에너지는 물을 덥히는데나 난방 하는데 직접 이용할 수 있고 이에 관한 기술은 많이 보급 되어 있다. 나아가서 태양에너지는 광학적 시스템을 이용하여 발전을 위한 수증기 생산에도 쓸 수 있다.

이와같은 태양에너지의 직접적 이용 외에 간접적으로 이용하는 실례도 무수하다. 예컨데, 비(雨)라고 하는 것은 바닷물이 태양에너지에 의해서 증발되어 수증기가 되고 이 수증기는 상공에서 액화하여 지상에 떨어지는 것이다. 비는 하천의 흐름으로 변하여 수력(水力)으로 이용되게된다. 따라서 수력은 태양에너지의 한 변형에 불과한 것이다.

중력에너지, 파력(波力)에너지도 마찬가지로 태양에너지이다. 식물은 태양에너지에 의해서 생육되고 동물은 식물 또는 다른 동물을 식량으로 하고 있기 때문에 동물이 여러 활동에 쓰고 있는 에너지도 사실은 태양에너지이다.

다시 말해서 바이오매스도 태양에너지의 일종이다. 수목과 초목류는 태양에너지를 변환하는 효율이 높고 공간 이용률도 높으며 시기에 따라 적당히 재배·수확할 수 있기 때문에 이른바 탈석유(脫石油)의 관점에서 새로운 의의를 가진다. 19세기에는 총에너지 수요의 90% 이상을 충당했었다. 석유나 석탄 등 화석연료는 고대의 식물 또는 동물이 변화되어 생성된 것이므로 이들 또한 태양에너지의 변형이다. 이렇게 보면 화력(火力), 수력, 동물의 힘 등 인간이 이용하고 있는 에너지의 대부분이 근본적으로는 태양에너지인 것이다. 에너지중 태양에너지의 변형이 아니라고 볼 수 있는 것이 지열(地熱), 조력(潮力)에너지와 핵융합·분열에너지 정도이다. 따라서 지구가 가지고 있는 최대의 에너지원(源)은 태양인 것이다.

낮은 에너지 밀도가 문제

지구의 표면에 떨어지는 태양에너지의 양은 매년 석유 환산 약 5백조 배럴에 상당하며 이것이 현재 알려진 석유 매장량의 약 1천배가 된다. 태양에너지는 이처럼 풍부한 것이 특징 이지만 그 효율적 이용은 매우 어렵다. 그 이유는 이 에너지의 밀도가 너무 낮고 간헐적으로만 획득 할 수 있기 때문이다. 또한 이 에너지는 지역에 따라 또 기상에 따라 획득 할 수 있는 양이 크게 다르다. 열대 지방에는 햇빛이 많이 쏘이지만 난방에 대한 수요가 거의 없고, 반대로 온대및 한대지역에서는 일조시간이 짧은 겨울과 흐린 날씨가 복사열의 양을 감축시킨다.

따라서 어떻게 하면 최소의 면적을 가지고 많은 에너지를 수집할 수 있을까, 그리고 어떻게 하면 수집된 에너지를 밤이나 날씨가 흐릴 때 쓸 수 있도록 저장할 수있을까 하는 문제가 태양 에너지 이용의 중추적인 문제가 되고 있다.

'에너지대체 전략 워크숍 기구'(Workshop on Alternative Energy strategies)의 견해에 따르면 오는 2000년 경에는 매일 석유환산 1백만~2백만 배럴에 상당하는 태양에너지가 여러 선진 공업국에 공급될 것으로 추정되고 있다. 이 추정은 태양에너지의 용도를 주로 난방이나 온수기로 가열 하였을때이다. 그러나 태양에너지에 의한 발전은 오는 2000년 경 까지는 대단한 양이 되지 못할 것으로 보고있다.

한편, 미국의 ERDA(Energy Research & Development Administration)에 의하면 2020년 까지는 전 미국의 기본에너지 수요의 4분의1을 태양에너지가 담당할 것이라고 제시하면서 이 에너지자원의 잠재력과 인간생활에서의 중대한 역할을 강조하고 있다.
 

집열기(集熱器)

주요에너지원으로서 태양에너지의 용도에는 온수획득기, 난방, 냉방, 발전 등 여러가지가 있는데 이 경우 태양에너지를 우선 물에 흡수시켜 온수 또는 수증기를 만들어 각각의 목적에 사용하게 된다.

이러한 관점에서 볼 때 태양열을 이용하여 온수를 만드는 장치들은 이 에너지 이용의 가장 기본적인 방법이라고 볼 수 있다. 태양에너지를 받아서 열을 흡수하는 집열기(集熱器)에는 평판 집열기와 집광(集光)집열기의 두 종류가 있다.

전자는 평판의 표면에 태양광을 받아 열을 흡수하는 열교환 장치인데, 대체로 태양의 이동에 관계 없이 한 군데 고정되어 있어서 값싸게 제작·사용할 수 있다. 평판 수집기는 주로 덥히는 물의 온도가 그리 높지 않아도 되는(50~60˚C) 탕이나 난방에 많이 사용된다.

한편 집광기집열의 경우에는 오목(凹) 반사경 또는 볼록(凸) 렌즈를 이용하여 태양광선을 집중시켜 강한 열을 흡수하게끔 되어 있다. 이 집열기는 대체로 태양의 이동을 계속적으로 추적하게 할 필요가 있으므로 제작비, 운용비가 높다. 그 대신 이방법으로는 물 또는 다른 열매(熱媒)를 훨씬 높은 온도로 가열 할 수 있게 된다.

북미, 유럽 및 아시아의 일부지역은 기후적으로 가옥의 지붕 위에 떨어지는 태양에너지의 양이 그 가옥들의 전 에너지 수요를 충분히 감당할 만하다. 따라서 이러한 목적으로 태양에너지를 수집, 전환, 그리고 저장하는 것은 그 방법에 따라서 경제성이있다. 가장좋은 이용방법은 온수기이다.

그 동안의 설계개선, 제작비용의 감소와 사용자의 이해증진으로 많은 태양열 온수기가 보급되었고 이 시장은 점점 확대되고 있다. 1960년대 중반에는 우리나라에도 비교적 저온(50˚C에서 1백˚C)을 공급하는 온수기가 전국적으로 2백대 정도 보급되었고 이에 의한 화석연료 절감효과는 상당한 수준에와 있었다. 불행히도 그 이후 유가 인하와 유지·보수의 어려움 등이 이유로 그 수가 줄고 있다.

건물의 난·냉방

태양열을 이용한 건물의 난·냉방은 그개발이 온수기 보다 늦어지고 있다. 태양열 난방을 효율적으로 시행하기 위해서는 건물의 방향, 배치, 단열,보조난방장치, 그리고 저장장치가 동시에 갖추어져 있어야 하기 때문이다. 이 분야는 더 오랜 경험과 연구개발을 쌓아야 할 것이다. 열 흡수벽이나 건물 지붕을 겸하는 흡열판에 대해서는 효율, 미적배려, 수명 등의 부문에서 많은 진전을 보았다.

여기서의 주요문제는 주택이나 기타 건물의 수명을 1백년으로 볼때 이러한 태양열에너지 이용시스템을 신축 건물에만 국한 할 수 없다는 것이다. 따라서 어떻게 기존 건물에다 경제적인 태양열 시스템을 설계 및 설치하고 자본비용과 운전비용을 절감시키느냐 하는 문제가 중요하다. 비용문제에 있어서 사용자가 봉착하게 되는 문제는 태양열 시스템의 경제성이 화석연료 또는 기타 에너지원의 유동가격에 의해서 좌우 된다는 것이다. 또하나의 문제는 태양에너지 시스템은 그 자본비용의 전부를 사용자가 부담하지만 전기, 도시가스, 석유 등과 관련되는 자본비용은 공급자가 부담한다는 것이다.

실상 자본비용의 문제를 같은 기준에 둔다면 태양열 시스템이 다른 시스템보다 더 경제적인 경우가 허다하다. 태양열 시스템을 널리 보급하기 위해서는 이러한 모순이 시정되어야 하고 사용자에게 유리한 금융, 납세 및 수요공급 체제가 이루어져야 하겠다.

태양전지(太陽電池)

태양에너지를 전기로 전환시키 데는 이용 가능한 여러가지 기술이 있다. 현재 많은 연구와 개발이 진행중에 있고 또 양산에 의하여 비용절감과 효율증대가 가능한 것으로 보이는 것은 실리콘 결정체로 만들어진 태양전지로서 태양에너지를 직접 전기로 전화시킨다. 실리콘 태양전지는 이미 우주선에 시용되고 있으나 이 방법도 더 넓은 보급을 위해서는 사용자가 설비투자에 대한 특별한 배려가 필요하다고 본다.

한편 최근에 관심을 끌고 있는 것은 비정질(非晶質 : amorphous) 실리콘 필름으로 만든 태양전지의 개발이다. 현재 사용되고 있는 태양전지는 단결정을 쓰고 있으며 단결정은 그제조과정이 고온(섭씨 1천 수 백도)이고 매우 까다롭다. 또한 증착시키는 실리콘의 두께도 두껍다(50μ 이상). 비정질의 증착은 낮은 온도(5백~6백˚C)에서 일어나고 두께도 0.5~1μ정도이다.

비정질 전지는 집광효율이 낮지만 제조공정이 용이하기 때문에 그 단가가 매우 저렴하다. 2000년 경에는 비정질 전지기술의 완성과 실용화가 이루어질 것으로 전망된다.

태양로(太陽爐)

또 하나의 태양에너지 전기전환방법은 앞에서 언급한 집광 집열기를 이용하여 태양광선을 보일러에 집중시킴으로써 매체를 고온(2천˚C가량)으로 가열하여 터빈을 가동시켜 전기를 얻는 것이다.

태양광선의 집중은 개별적으로 조작되는 많은 거울을 사용하여 달성한다. 발전비용을 인하시키자면 이러한 장치는 대규모화 해야하고 빌전소는 집중화해야 한다. 또한 이방법은 일조시간이 길고 하늘이 맑은 지역에서만 가능하다. 높은 자본비용, 기후의존성, 그리고 설비의 유지와 그 수명이 큰 제약인자이며 따라서 가까운 장래에 이기술을 실용화하기는 어렵다고 보고 있다.

다른 하나의 야심적인 기술은 인공위성으로부터 태양에너지를 마이크로 웨이브로 전환하여 지상으로 보내고 이것을 전기로 재전환하는 것이다. 이것은 기후의 의존성을 제거해주며, 현재 보유하고 있는 기술로 설계, 제작이 충분히 가능하다. 그러나 예컨대 지상에서 5천MW 정도의 발전을 하자면 위성은 10km²이상의 태양에너지 수집판을 가질 만큼 거대해야 한다. 이에 필요한 자재를 궤도에 올리고 시스템을 건조하는데 드는 비용은 엄청나게 클 것이다.